■ 許小峰
闡述了通量觀測系統(tǒng)在天氣、氣候、生態(tài)、環(huán)境等領(lǐng)域涉及到不同圈層相互機理研究中的重要性;介紹了陸面通量的特征和觀測機理,及相關(guān)觀測方法的發(fā)展脈絡(luò);對幾種主要通量觀測方法做了概要說明;并對目前全球陸氣、海氣通量網(wǎng)發(fā)展建設(shè)概況做了介紹;最后對如何進一步加強通量觀測網(wǎng)建設(shè)提出了建議。
研究氣候系統(tǒng)的演變規(guī)律,不僅要了解組成氣候系統(tǒng)的各個圈層是如何變化的,更要掌握各圈層之間相互影響、相互作用的過程和機理,這樣才能把握住氣候系統(tǒng)運動的整體規(guī)律及演變背后各圈層之間的內(nèi)在聯(lián)系。而研究不同圈層間的相互作用,需要獲取它們之間的物質(zhì)(如二氧化碳、水汽)和能量(如感熱、潛熱)交換信息,即這些量在不同圈層間的通量變化。得到這些數(shù)據(jù)需要建立觀測站點或觀測網(wǎng)絡(luò),針對特定的交換要素,對其變化進行監(jiān)測、跟蹤和分析,掌握相互作用的實際過程與定量變化,并以此為依據(jù)做進一步分析預(yù)測。不僅對氣候問題如此,在天氣尺度問題的研究中,也同樣需要關(guān)注通量變化,如大氣環(huán)境問題中的污染擴散、城市化對天氣系統(tǒng)的影響、不同下墊面對陸氣、海(水)氣、冰氣相互作用等,都與各圈層界面間的交互和邊界層的影響密切相關(guān)。相關(guān)研究和試驗已表明,無論是對短期天氣預(yù)報,還是中長期天氣預(yù)報,地表通量信息的加入都能對準(zhǔn)確率的提升產(chǎn)生正效應(yīng)。
所謂通量,定義為單位時間通過單位面積氣流對某物理量的輸送。從天氣、氣候研究分析各圈層相互作用的角度,重點關(guān)注的是大氣與不同圈層界面間的垂直通量。如水汽通量,指植物蒸騰和土壤蒸發(fā)可以造成地表或植被與大氣間向上的水汽通量輸送,而水汽凝結(jié)造成的通量方向向下。植被和土壤通過呼出二氧化碳造成與大氣間向上的碳通量,植被通過光合作用提供方向向下的碳通量。這些通量交換過程主要是在大氣邊界層發(fā)生的,而湍流運動是大氣在邊界層的重要運動方式,也是下墊面與大氣能量與物質(zhì)輸送交換的主要載體。因此,要想正確認(rèn)識陸氣或海氣通量過程,就必須對湍流進行觀測和分析。
當(dāng)某層大氣上下邊界的動量或熱量輸送有差異時,就會引起層內(nèi)大氣的風(fēng)速或溫度發(fā)生變化,即大氣物理量上下邊界的差值控制著其在層內(nèi)的變化。因此,通量測量與分析的基本原理是根據(jù)近地面層溫度、濕度、動量及其他物理量存在垂直差異為基礎(chǔ)進行推算的。在處理湍流通量時,有兩個基本假定,一是水平方向上通量輸入與輸出相等,即:
由于湍流運動的復(fù)雜性,很難像自由大氣那樣通過閉合方程組推算其運動規(guī)律,但通過觀測資料可以發(fā)現(xiàn)湍流變化中確實存在某些穩(wěn)定且可重現(xiàn)的規(guī)律性特征存在,這為利用某些變量建立統(tǒng)計經(jīng)驗關(guān)系式提供了可能。利用相似理論,可將相關(guān)變量組成無量綱組,利用實測數(shù)據(jù)確定無量綱數(shù)組量值,再通過經(jīng)驗曲線或回歸方法描述實測數(shù)據(jù),從而確定無量綱數(shù)組相互間的關(guān)系。1954年,蘇聯(lián)科學(xué)家莫寧(Monin)和奧普霍夫(Obukhov)在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,提出了湍流運動相似理論(簡稱M-O理論),建立了湍流通量統(tǒng)計量與平均值之間的聯(lián)系。該理論以摩擦速度u*,溫度脈動通量(w'T'),浮力因子g/T和高度z為控制參數(shù),構(gòu)造出新的長度尺度稱為Monin-Obukhov長度,其中T為溫度,T'為脈動溫度,κ為卡門常數(shù),g為重力加速度,w'為垂直脈動速度。M-O相似理論的核心是,以高度z和L構(gòu)成一個無量綱的相似坐標(biāo)ζ=z/L,地表層所有湍流統(tǒng)計量在使用基本參量無量綱化后都是相似坐標(biāo)ζ的普適函數(shù),其中下標(biāo)*表征具體的物理量,上標(biāo)'表示無量綱化后的物理量。
無法由量綱分析直接給出,需要結(jié)合理論模型和實驗數(shù)據(jù)共同獲得。由于大氣浮力參數(shù)通常變化不大,實際要解決的問題是熱通量和速度量的表述。盡管在當(dāng)時條件下,受觀測條件的限制,難以通過實際資料和實驗準(zhǔn)確確定無量綱參數(shù)量值,相似理論與實際應(yīng)用尚有距離,但為后期的研究工作提供了理論指導(dǎo),并在實踐完善過程中得以確認(rèn),成為研究邊界層湍流運動規(guī)律及間接觀測方法的基礎(chǔ)和依據(jù)。
到目前為止,湍流通量的觀測方法正是按照對湍流運動規(guī)律的基本認(rèn)識沿著兩條路徑推進的,即直接觀測與間接觀測。
常用的通量觀測方法主要有渦動相關(guān)法(Eddy Covariance)、波文比法(Bowen Ratio System能量平衡法)、空氣動力學(xué)法(Aerodynamic Method,簡稱AM,也稱為梯度法)、總體輸送法(Bulk Transfer Method,簡稱TM)等。
渦動相關(guān)法屬于直接觀測法,是1951年澳大利亞科學(xué)家Swinbank提出的,通過選擇垂直地表的一個體積單元,利用連續(xù)方程研究體積元內(nèi)的空氣流動,分析其中某物理量的收支變化情況,通過計算風(fēng)速垂直脈動量與某物理量脈動量的協(xié)方差所求得結(jié)果。為通量,w'為垂直風(fēng)速脈動量,c'為某物理量c的脈動量。
這種方法是一種基于直接測量、精度較高的通量觀測方法,利用專門設(shè)計的儀器可以相對簡單地測出地表物質(zhì)通量、感熱通量和潛熱通量,但由于儀器價格和維護成本也高,普遍使用有一定難度。
隨著航空技術(shù)和探測技術(shù)的發(fā)展,近年來利用小型飛機配備渦動相關(guān)探測所需儀器裝備的通量觀測法(Aircraft Eddy Covariance)逐步發(fā)展成熟,在歐洲、美國的一些區(qū)域通量觀測研究項目上得到應(yīng)用。如在歐洲碳收支區(qū)域評估和模擬研究計劃(RECAB)中就使用了飛機在西班牙、意大利、德國、荷蘭和瑞典開展了區(qū)域通量觀測(圖1)。飛機上裝有測量各類氣象基本要素、大氣湍流、大氣成分的高頻傳感器,可以獲取計算地表通量的所需變量。
圖1 通量觀測飛機機構(gòu)示意圖
波文比法也稱為能量平衡法,是1926年英國物理學(xué)家Bowen在研究自由水面的能量平衡時提出的。他通過獲取水面與空氣間的亂流交換熱量(感熱通量H)與自由水面蒸發(fā)水汽的耗熱(潛熱通量λET)的比值(波文比β),并結(jié)合能量平衡公式,求出感熱通量和潛熱通量。下墊面能量平衡方程為:為到達地表的凈輻射通量;λ為水的汽化潛熱;G為土壤熱通量。波文比測量儀就是根據(jù)波文比法原理設(shè)計的,也是比較常用的地表通量測量方法。
波文比β還可以衡量近地層空氣的穩(wěn)定度狀況:波文比越大,表明感熱交換越強烈,空氣越不穩(wěn)定,波文比越小,大氣越穩(wěn)定。
空氣動力學(xué)法測通量也稱為梯度法,根據(jù)Monin-Obukhov相似理論,可得到風(fēng)速、位溫、濕度的垂直廓線,然后可計算出感熱、潛熱通量。
空氣動力學(xué)方法物理概念清晰,應(yīng)用相對簡單,得到較為普遍的應(yīng)用,但同波文比方法類似,都屬于間接測量方法,在算法上做了簡化,而其中的假定條件會與特定的時空環(huán)境密切相關(guān),在不同的下墊面和大氣層結(jié)等因素的影響下,測量結(jié)果易出現(xiàn)偏差。也有人提出了將波文比法與空氣動力學(xué)方法相結(jié)合,各取所長的組合法,有一定改進,但無法完全消除計算不穩(wěn)定問題。
總體輸送法同樣是一種間接計算通量的方法,也是基于Monin-Obukhov相似理論,利用溫度、濕度、風(fēng)的梯度資料計算地表湍流通量,關(guān)鍵問題是要確定經(jīng)驗常數(shù),即總體輸送系數(shù),建立某地的湍流通量與常規(guī)風(fēng)、溫、濕梯度變化的關(guān)系。這種方法從原理到計算都相對簡單,比較適用于臺站業(yè)務(wù)使用。但由于確定總體輸送系數(shù)的參數(shù)化方案有不確定性,同時也受到環(huán)境條件的影響,容易造成計算結(jié)果的差異。
根據(jù)總體輸送理論,總體輸送系數(shù)可表示為:
式中,CD、CH、CE分別為動量、熱量和水汽的總體輸送系數(shù),k是Karman常數(shù),Pr0(0.74)為中性層結(jié)時的湍流Prandtl數(shù),ψM、ψH和ψE是動量熱量和水汽廓線函數(shù)從Z0到Z的積分形式,Z0、Z0H、和Z0E分別是地面風(fēng)速、氣溫和水汽的粗糙度,可假定三者近似相等。L為Monin-Obukhov穩(wěn)定度參數(shù),需要根據(jù)大氣層結(jié)情況通過經(jīng)驗函數(shù)或迭代方法計算。有了總體輸送系數(shù),按照總體輸送理論,地面動量、感熱和潛熱通量可以表示為:
式中ρ為地面空氣密度,與海拔高度有關(guān);Tg為地面溫度;LE潛熱系數(shù);qgS是地面飽和比濕;β為土壤濕度蒸發(fā)系數(shù)。
輸送系數(shù)與湍流輸送強度密切相關(guān),由于算法不同,成為影響地面通量計算結(jié)果最不確定的因素。具體算法可分為直接法和間接法兩種。直接法包括渦旋相關(guān)法、廓線—通量法和經(jīng)驗函數(shù)參數(shù)化方法等3種;間接法也稱倒算法,先利用空氣動力學(xué)方法、組合法、波文比能量平衡法或變分法等結(jié)合風(fēng)、溫、濕等氣象要素的梯度觀測資料,計算出地面動量、感熱和潛熱通量,再通過總體輸送公式反算出總體輸送系數(shù)。如果氣象臺站能增加溫度、濕度、風(fēng)的梯度觀測,采用總體輸送法估算地表通量應(yīng)是值得選擇的方案,實現(xiàn)會相對簡單。
還有其他一些測定通量的方法,如蒸滲儀法(Lysimeter Method),通過稱重的方式確定不同時間土壤水分的差異,確定通量;大孔徑閃爍儀法(Large Aperture Scintillometer,LAS),通過發(fā)射器與接收器之間光速隨湍流通量變化而產(chǎn)生的折射變化推算通量強度。
衡量通量數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一是能量閉合度CR,定義為:
式中,CR越接近1,能量閉合度越高,表示凈輻射與土壤熱通量之差越接近等于感熱通量與潛熱通量之和。
從天氣、氣候到生態(tài)、環(huán)境領(lǐng)域,都離不開對相關(guān)要素通量交換的分析研究,建立通量觀測系統(tǒng)逐步在國際相關(guān)領(lǐng)域形成共識。隨著通量觀測技術(shù)的發(fā)展,20世紀(jì)80年代開始,美國、歐洲、日本等開始逐步建立通量監(jiān)測站,對碳、熱、水汽等要素的陸面交換過程進行通量觀測,并伴隨開展了一些試驗研究項目,對觀測數(shù)據(jù)進行分析研究,如“北方生態(tài)系統(tǒng)-大氣研究(BOREOS)”、“北半球氣候-陸面過程試驗(NHCPLSE)”。
1995年,在意大利阿爾卑斯山的La Thuile舉行的通量觀測國際研討會上,各國同行討論并提出了建立國際通量觀測網(wǎng)(FLUCNET)的建議,成為促進全球和區(qū)域范圍通量觀測站的建設(shè)的重要轉(zhuǎn)折點。此次會議后,通量觀測網(wǎng)建設(shè)加速,大約經(jīng)歷了8~10年時間,全球范圍的通量站從幾十個發(fā)展到400多個。在各國政府和科學(xué)界的支持下,在歐洲、北美、亞洲區(qū)域逐步形成了EuroFlux、AmeriFlux和AsiaFlux,為建立全球性的網(wǎng)絡(luò)FLUXNET奠定了基礎(chǔ)。
1998年,美國國家航空航天局(NASA)決定正式成立全球通量監(jiān)測網(wǎng)FLUXNET,將其作為檢驗對地觀測系統(tǒng)衛(wèi)星(EOS)產(chǎn)品的地面驗證支持系統(tǒng),并在美國蒙大拿州的波爾森召開了第一屆FLUXNET研討會,在會上討論并提出了將通量數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感信息相結(jié)合,提供全球碳總量和凈量交換評估產(chǎn)品的構(gòu)想,這一構(gòu)想以論文的形式發(fā)表在1999年Remote Sensing of Environment期刊上。
FLUXNET歷史上另一個重要事件是2000年在美國加州馬可尼召開的研討會。會上,30名科學(xué)家在一起首次分享了各自的通量數(shù)據(jù),并計劃以此為基礎(chǔ),共同撰寫一組綜合性論文,體現(xiàn)FLUXNET觀測的科學(xué)成果和應(yīng)用價值,約十幾篇論文發(fā)表在了2002年Agricultural and Forest Meteorology期刊上。
大約間隔1~2年,都會舉辦一次FLUXNET國際研討會,隨著巴西、加拿大、中國和澳大利亞等國的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和加入,F(xiàn)LUXNET覆蓋范圍和站點數(shù)都在持續(xù)增長。FLUXNET第二階段發(fā)展得到了美國國家科學(xué)基金會(NSF)“研究協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)計劃(Research Coordination Networks Program 2007-2011)”的支持,一些著名企業(yè)、大學(xué)和實驗室也給與了技術(shù)和設(shè)備支持,從而加快了數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)建設(shè),使信息共享與分發(fā)的能力明顯增強。
2009年,在美國加利福尼亞州阿西洛瑪(Asilomar)召開的研討會上,關(guān)注的問題不再僅限于觀測網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫的建設(shè),而是探討如何使這些珍貴的資料在地球系統(tǒng)模擬研究中得到應(yīng)用。例如,代表們著重分析了利用通量數(shù)據(jù)在改善對地表、氣候以及碳循環(huán)建模工作中的作用,并將研討成果應(yīng)用到了正在發(fā)展的地球系統(tǒng)模式的最新版本中。這次研討會的成果發(fā)表在2013年Ecosystems雜志上,主要內(nèi)容是關(guān)于干旱條件如何影響生態(tài)系統(tǒng)通量模擬的準(zhǔn)確性。
2014年,美國能源部向FLUXNET網(wǎng)站托管地加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室提出進一步改進和擴展FLUXNET建議,以解決好全球生物地球科學(xué)界面臨新的不斷增長的科學(xué)問題,提出應(yīng)努力像科學(xué)界提供自由開放、公平共享的數(shù)據(jù)集,并提供計算資源和支持科研人員定期生成更新數(shù)據(jù)集,而不是每7年左右才生成一個新數(shù)據(jù)集的傳統(tǒng)做法。這項提案促進了站網(wǎng)管理者在改進數(shù)據(jù)管理、開放共享數(shù)據(jù)、提高數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面進行了改進和提升,方便了全球相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家對數(shù)據(jù)庫信息的獲取和使用,在氣候、生態(tài)、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市發(fā)展等領(lǐng)域產(chǎn)生了大量基于FLUXNET資料的科研成果。目前FLUXNET站點已覆蓋了全球主要陸地區(qū)域,共有800多個活躍通量測站,可以反映大部分區(qū)域的通量交換狀況,涵蓋了各類林地、草原、濕地、農(nóng)田、冰雪、裸地等不同下墊面狀況,還有些特殊區(qū)域站點相對缺乏,如我國的青藏高原地區(qū)、格陵蘭地區(qū)和非洲的部分區(qū)域(圖2)。
圖2 FLUXNET站點分布,藍(lán)色圓點表示測站,暗黑色部分表示尚不能很好反映的區(qū)域(來自FLUXNET網(wǎng)站)
中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)(CHINAFLUX)創(chuàng)建于2001年,由中國科學(xué)院牽頭負(fù)責(zé),依托國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)(CNERN)和中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN),以研究生態(tài)系統(tǒng)變化規(guī)律為主要目標(biāo)。站點選擇以我國植被地理分布特征生態(tài)區(qū)劃為依據(jù),選取在東北樣帶(NECT)、東部南北樣帶(NSTEC)和草原樣帶(CGT)區(qū)域布設(shè)觀測站點。2014年,中國通量觀測研究聯(lián)盟成立,在北京舉辦了第一次學(xué)術(shù)研討會,除中國科學(xué)院外,來自農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水文、氣象等部門和高等院校,及從事通量觀測研究的學(xué)術(shù)團體的代表加入了聯(lián)盟,相關(guān)的通量觀測站也并入到CHINAFLUX。目前CHINAFLUX已擁有近百個針對農(nóng)田、草地、森林、濕地、荒漠、城市、水域等不同類型生態(tài)系統(tǒng)的通量測站, 成為全球通量網(wǎng)FLUXNET的重要組成部分。
圖3 廣東電白/博賀國家氣候觀象臺海洋觀測平臺
中國氣象局2006年開始啟動了國家氣候觀象臺建設(shè)試點工作,在內(nèi)蒙古、安徽、廣東、云南、甘肅選擇反映不同氣候帶特點的5個站點作為氣候觀象臺。在試點的基礎(chǔ)上,2018年在全國遴選了首批24個站正式成為國家氣候觀象臺,在這些臺站建設(shè)中,大都設(shè)計了通量觀測項目,將成為我國氣候系統(tǒng)業(yè)務(wù)、科研工作的重要支撐。若能在未來的氣象臺站規(guī)劃中,適當(dāng)增加梯度觀測項目,可為擴充通量觀測奠定基礎(chǔ)。實際上,我國不少單位在研究氣候問題過程中也都布設(shè)了不少通量觀測點,如中國科學(xué)院青藏高原所在青藏高原、新疆沙漠氣象研究所在新疆沙漠地區(qū)、廣東生態(tài)氣象中心在南海一帶(圖3)也都建設(shè)了區(qū)域通量觀測網(wǎng);國家氣候中心通過氣候變化科研項目的支持也在湖南洞庭湖區(qū)和東北大興安嶺林區(qū)、南甕河沼澤濕地等地建有二氧化碳、甲烷等通量觀測站;還有許多科研項目也都建立了獨立的通量站網(wǎng),如能整合好這些資源,將有助于我國生態(tài)、環(huán)境、天氣、氣候科研與業(yè)務(wù)水平的提高。
以上通量觀測方法或站網(wǎng)建設(shè)以陸面為主,只有在陸面或近海一帶有條件設(shè)置較完備的探測站點,而要解決全球大范圍通量觀測問題,還應(yīng)從空間對地觀測角度考慮,探索利用衛(wèi)星資料的解決方案。在這一方向上已取得顯著進展,通過反演海面溫度、濕度、風(fēng)場垂直變化廓線來推算通量變化,不少網(wǎng)站已能提供衛(wèi)星通量數(shù)據(jù)產(chǎn)品,但仍需要設(shè)法克服衛(wèi)星探測存在的弱點,如精度、云雨衰減、時間分辨率等,才有可能獲取滿意的結(jié)果。有學(xué)者2006年曾發(fā)表文章,對5類公開發(fā)布的通過衛(wèi)星資料制作的海洋通量產(chǎn)品進行評估檢驗,當(dāng)時得出的結(jié)論是衛(wèi)星通量產(chǎn)品尚不適合在全球海洋氣候研究中定量使用,精度不夠,與實測資料相比存在20%~30%的誤差,但可以在區(qū)域數(shù)值模式中使用,使用效果取決于具體模式對通量資料的同化能力。
2 0 1 6年1 2月1 5日,NASA成功發(fā)射了CYGNSS測風(fēng)小衛(wèi)星星座,由8顆6U-Cubesat星組成,每顆星可以同時接收至少4顆GPS衛(wèi)星的折射和反射信號,折射信號用來確定CYGNSS衛(wèi)星自身的位置,反射信號來自海洋表面,通過測量反映海面風(fēng)浪運動的粗糙度變化,分析確定風(fēng)速、風(fēng)向等級和變化。8顆小衛(wèi)星協(xié)同觀測,可以在40°N—40°S任一觀測點每3 h重復(fù)一次。由于GPS的微波信號具有穿透云雨的全天候特征,CYGNSS星座可以捕捉到在廣闊的海洋上完整的風(fēng)場信息,而不受天氣系統(tǒng)發(fā)生時云系和降雨的影響。這一成果為氣象學(xué)家獲取海氣通量產(chǎn)品提供了技術(shù)條件,將海面風(fēng)場信息與模式大氣溫濕分析場信息結(jié)合,利用空氣動力學(xué)方法,可以推算出海面潛熱和感熱通量。圖4為利用CYGNSS海面測風(fēng)信息結(jié)合NASA的高分辨再分析資料MERRA-2的溫度、濕度資料計算的全球海洋潛熱、感熱通量分布。
圖4 2018年1月29日通過CYGNSS測風(fēng)小衛(wèi)星星座計算的全球海洋通量數(shù)據(jù)
1)無論是對生態(tài)系統(tǒng)、氣候系統(tǒng)還是大氣運動的研究,通量都是最重要的基礎(chǔ)信息。從目前的觀測業(yè)務(wù)能力看,還遠(yuǎn)不能滿足需求,在未來的科研項目或業(yè)務(wù)建設(shè)中,都應(yīng)更加重視這一環(huán)節(jié),加快彌補這一短板,從而掌握各圈層相互作用過程中能量、物質(zhì)交換的實際情況和影響。
2)從技術(shù)層面,通量觀測已比較成熟,直接觀測相對精準(zhǔn),但成本高一些。間接觀測直接投入成本低,但需要的在數(shù)據(jù)處理方面做更多的工作,有可能在更多的觀測臺站實現(xiàn)。對于廣闊的海洋,可以通過浮標(biāo)、鐵塔等方式觀測。但最終解決大范圍的觀測,衛(wèi)星遙感信息有更大的潛力。對一些特殊性的區(qū)域性觀測,也可以嘗試通過飛機(包括無人機)實現(xiàn)。
3)盡管目前的測站從觀測密度和覆蓋面都尚不能滿足需求,但分布在各部門、各單位所建設(shè)的測站通量信息也還未能實現(xiàn)完全共享,CHINAFLUX網(wǎng)整合了一些站點,還應(yīng)協(xié)調(diào)更廣泛的合作,使有限的資源發(fā)揮更大效益。
4)通量信息的應(yīng)用相對要復(fù)雜一些,不像應(yīng)用一般要素那么直接,需要加強相關(guān)的研究、學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。通過在應(yīng)用中產(chǎn)生效益,將會進一步促進對通量觀測重要性的認(rèn)識。
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Advances in Meteorological Science and Technology2020年4期